非常见问题第197期:Rf解密——了解波反射

问题:

波反射——为何在RF设计中理解这个概念非常重要?

RAQ Issue 197: RF Demystified—Understanding Wave Reflections

答案:

本文面向非RF工程师,简单介绍了与RF设计固有的关键特性相关的术语:波反射。在低频下工作的普通电路与针对RF频率设计的电路之间的关键区别在于它们的电气尺寸。RF设计可采用多种波长的尺寸,导致电压和电流的大小和相位随元件的物理尺寸而变化。这为RF电路的设计和分析提供了一些基础的核心原理特性1

基本概念和术语

假设以任意负载端接传输线路(例如同轴电缆或微带线),并定义波量a和b,如图1所示。

图1.以单端口负载端接匹配信号源的传输线路。

这些波量是入射到该负载并从该负载反射的电压波的复振幅。我们现在可以使用这些量来定义电压反射系数Γ,它描述了反射波的复振幅与入射波复振幅的比值:

 

Equation 1

 

反射系数也可以用传输线路Z0的特征阻抗和负载ZL的复杂输入阻抗表示为:

 

Equation 2

 

RF工程一般采用Z0 = 50 Ω,这是信号衰减和功率处理容量之间的折衷选择,可以通过同轴传输线路实现。但是,在有些应用中,例如,在需要远距离传输RF信号的广播系统中,Z0 = 75 Ω是更常见的选择,以减少电缆损耗。

不管特征阻抗的值是多少,如果负载阻抗相同(ZL = Z0),则表示该负载与传输线路匹配。需要注意的是,只有在信号源与传输线路匹配时这个条件才有效,如图1所示,本文也做了这一假设。在这种情况下,不会产生任何反射波(Γ = 0),负载从信号源接收到的功率最大,而在全反射(|Γ| = 1)的情况下,根本不会向负载输送任何功率。

如果负载不匹配(ZL ≠ Z0),则不会接收到全部入射功率。相应的功率"损耗"称为回波损耗(RL),它与反射系数的大小相关,可通过如下公式表示:

 

Equation 3

 

回波损耗是指负载上的入射功率与反射回来的功率之比。回波损耗始终是非负值,表示负载与朝向源极的负载上"显示"的网络阻抗之间的匹配程度。

如果负载不匹配,反射波的存在会导致驻波,从而导致电压振幅不稳定,会随线路位置而变化。用于量化线路阻抗不匹配的参数称为驻波比(SWR),定义如下:

 

Equation 4

 

由于我们通常用最大和最小电压来解析SWR,因此该量也称为电压驻波比(VSWR)。SWR是一个实数,取值范围从1到无穷,其中SWR = 1表示负载匹配。

结论

RF电路具有许多与普通电路不同的基本特性。设计和分析微波电路需要使用扩展概念来解决实际相关的问题。本文介绍和探讨了与RF系统的一个主要特性波反射相关的一些重要概念和术语。

ADI公司提供丰富的RF集成电路组合,拥有深厚的系统设计专业知识,能够满足广泛的RF应用中的各种严苛要求。此外,ADI提供整个技术支持生态系统,包括 设计工具仿真模型参考设计快速原型制作平台技术论坛 ,帮助RF工程师简化目标应用的开发过程。

参考资料

1 M. S. Gupta。 "RF是什么?" IEEE微波杂志,第2卷第4期,2001年12月。

Hiebel, Michael。 矢量网络分析基础。Rohde & Schwarz,2007年。

Pozar, David M。微波工程,第4版。Wiley,2011年。

作者

Anton Patyuchenko

Anton Patyuchenko

Anton Patyuchenko 于2007年获得慕尼黑技术大学微波工程硕士学位。毕业之后,Anton曾在德国航空航天中心(DLR)担任科学家。他于2015年加入ADI公司担任现场应用工程师,目前为ADI公司战略与重点客户提供现场应用支持,主要负责医疗保健、能源和微波应用。